2023, Vol. 45
2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430200
2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China
邮轮餐厅照明系统作为空间光环境设计的重要组成部分，其在设计时应该满足照明设备控制形式的智能化、便利性等要素。智能化的照明系统可通过无线控制室内灯光的照度、色温、开/关等自适应调节，既避免了室内灯具复杂的布线流程，又可以有效改善照明环境，极大提升用户的照明体验[1-3]。近些年来以ZigBee技术为中心的照明系统设计方法脱颖而出。ZigBee具有能耗低、网络容量大、成本低、自组网灯等优势，其搭配LED的PWM调光技术与传感技术结合使用，实现对邮轮餐厅空间照明设备LED灯组的智能监测、管理、控制[4-7]。
1 场景建立与仿真分析 1.1 餐厅仿真场景构建本文以某邮轮的主题餐厅为设计实例进行照明仿真分析。餐厅采用侧窗采光，从窗户向房间内部具有较长的进深距离，近窗位置与房间深处位置的照度值、色温值两极分化严重，导致空间工作面照度、色温分布不均。利用DIALux evo软件建立餐厅仿真模型，模拟实际环境中空间照度、色温在不同天空模式下的变化趋势[8]。通过获取室内工作面照度及色温的仿真计算数据，进行数据分析，提出邮轮餐厅智能照明系统控制策略。空间尺寸为13.8 m×9.4 m×2.5 m，窗户共3扇，空间灯具数量为10盏，都安装在天花板上，每盏灯都可进行单独的开关控制及亮度色温调节。餐厅仿真场景及灯具布置如图1所示。
|
图 1 餐厅仿真场景及灯具布置图 Fig. 1 Simulated dining room scene and lighting layout |
餐厅仿真场景构建完成后，设置好空间内部各主要工作面反射值，分析餐厅空间在不同天空模式下工作面的照度及色温变化。主要面向晴天、阴天、混合天3种典型天空类型进行仿真分析[9]。选择某一天的某一时刻对仿真场景中各工作面的照度值、色温值进行计算，并对所获取的光环境数据进行处理分析，获得不同天空模式下空间工作面照度及色温变化曲线如图2所示。
|
图 2 不同天空模式下空间工作面照度及色温变化曲线 Fig. 2 Variation curves of illuminance and color temperature of space working face in different sky modes |
可知，空间内整体照度值及色温值随着空间进深距离不断降低。当天然光射进房间进深距离4 m以内位置时，受到窗户及墙壁反射的影响大，工作面照度及色温数值波动幅度大；当光线进入到4 m之外位置时，窗户采光的影响极其微弱，工作面照度及色温数值波动幅度小，空间整体照度及色温分布差异明显。所以需结合分区（分组）、分点的的形式对灯具进行精细化调控，符合照明设计标准值的同时，使空间各工作面照度及色温的分布具有均衡性。
1.3 系统控制策略确定选择对灯具补光需求较为强烈的阴天天空模式进行研究。根据天然光与房间进深距离的相互影响确定灯具控制形式。由图2可知，阴天模式下，空间进深4 m以外照度及色温差值变化变小，因此以4 m为分区线，4 m以内为分区、分点控制，4 m以外为分区控制。将空间分成3个不同区域，其中区域1按照窗户和墙壁的相对位置共分为a～f六个工作面，此区域内灯具为灯组1，由上至下分别称作灯①、灯②、灯③；区域2的灯具为灯组2；区域3的灯具为灯组3。划分示意图如图3所示。
|
图 3 空间分区划分 Fig. 3 Spatial partition |
系统控制策略如下：
1）对区域1的灯组1实施分区（分点）控制。优先统一协调整个灯组1的照度及色温值，令区域1的平均照度及色温达到标准值，在此基础上依据工作面a1～f1的检测结果分别调节灯①～灯③的照度及色温值，使各工作面具有均匀的标准照度及色温。
2）对区域2、区域3实施分区（分组）控制，使工作面的平均照度及色温达到标准值。
3）考虑不同工作面之间光源相互影响的特性，对区域1灯具分点控制后，需再次验证工作区域2和区域3灯光调节是否依然满足已设定的标准要求。
系统控制策略流程如图4表示。
|
图 4 系统控制策略流程 Fig. 4 System control strategy flow |
系统组成框架如图5所示。该系统由远程控制模块、本地控制模块及被控灯具节点模块3部分组成，利用ZigBee网络将所有灯组实现联网管理，每个灯具节点与本地控制模块之间依靠无线信号进行数据通信。本地控制模块负责建立和管理整个ZigBee网络及数据信息处理，是整个系统的核心，被控灯具节点模块负责采集信息的传输、反馈、接收及控制命令的执行等。
|
图 5 系统组成框架设计 Fig. 5 System composition framework design |
被控灯具节点模块包含ZigBee传输节点、传感监测模块、LED灯组模块。ZigBee传输节点与本地控制模块进行无线通信，传感监测模块由红外传感器、照度传感器、颜色传感器组成，红外传感器是用于监测有无人员信号，对灯光的开关进行判断。有天然光的条件下，照度、颜色传感器用于采集当前照明环境的照度及色温值，作为系统进行室内灯光调整的主要依据。夜晚没有天然光时，则根据预设情景模式进行灯光调控。LED灯组模块是用于驱动空间内联网灯具的灯光智能调节。除了上述自动控制模式，系统还能通过远程控制模块进行手动调节，远程控制模块通过网关无线信号与本地控制模块进行通信，实现手动调节灯具亮度及色温、选择预设的情景模式等。
2.2 硬件控制设计系统硬件控制设计如图6所示。主要包括传感监测模块、本地控制模块、LED灯组模块、ZigBee传输模块等。传感监测模块用于检测人体红外线信号、自然光的光照及色温值；本地控制模块主要利用微控制器执行系统控制算法，进行采集数据处理；ZigBee传输模块与微控制器、各传感器及各终端灯具分别连接，实现各个硬件间数据传送功能；LED灯组模块利用LED驱动模块输出PWM信号波控制灯光亮度及色温。
|
图 6 系统硬件控制设计 Fig. 6 System hardware control design |
系统软件控制流程设计如图7所示。系统获取数据为各区域人员活动信号及各位置的照度值及色温值，输出数据为个灯具的调整值（PWM参数）。在系统监测到人体信号后，进行日光条件判定，处于日光条件下则运行系统控制算法获取光环境数据，并判断数据与预设标准值的关系，输出各灯具的灯光调整值，发送至各终端灯具实现灯光的智能调节，然后将调整后的光环境数据继续上传到传感监测模块，循环重复上述过程。当系统未检测到人体信号或者设定成无人状态时，关闭灯光；当系统监测不到光环境数据时，进入待机状态。
|
图 7 系统软件控制流程设计 Fig. 7 System software control process design |
为避免人为遮挡工作面导致传感器检测结果受到影响，考虑将传感器设置在室内屋顶或者墙壁上，同一工作面的照度及颜色传感器应放置在同一位置[10]。根据餐厅空间划分的3个区域，在仿真场景中，将计算元件设置在室内传感器位置，模拟实际检测点，分别对各检测点的照度及色温进行计算，绘制照度及色温变化曲线来分析变化趋势，以获取最佳传感器实际安装位置。
2.4.1 区域1检测点分析区域1受窗户采光影响较大，选取6组传感器（每组包括照度、颜色传感器各1个），并分别与a1～f1等6个工作面对应，获取相应工作面照度值及色温值。
1）传感器位于屋顶时：从横向上分别选择灯具同行位置、灯具与墙壁中间位置、墙壁上位置、区域连接处等；从纵向上选取工作面中心位置，如图8所示，对每一列传感器纵向标记为S1～S5。对a1～f1六个工作面各检测点的照度、色温值进行计算，绘制照度及色温变化曲线，如图9所示。
|
图 8 区域1屋顶传感器布置示意图 Fig. 8 Roof sensor layout diagram in area I |
|
图 9 屋顶传感器的照度、色温变化曲线 Fig. 9 Change curve of illuminance and color temperature of roof sensor |
由图8和图9可知，传感器S1列、S5列处于侧墙与屋顶、2个区域的连接位置，此处离光源距离远，工作面的平均照度及色温变化波动比较稳定；传感器S2列、S4列距离光源较近，照度及色温变化受光源影响波动比较明显；传感器S3列紧邻灯具，此处基本为光源的直射照度，曲线波动过于强烈，应舍弃此处采集数据。
2）传感器位于墙面时：将传感器安装于工作面a1～f1侧面墙壁的窗户上方。传感器安装位置应高于人员活动范围，且低于光源高度，所以纵向择取窗户上沿2.2～2.5 m的位置，每间隔0.1 m放置一组传感器；横向择取6个工作面的中间位置，由上到下，将每行传感器依次记为S1～S4，如图10所示。分别对S1～S4检测点的照度及色温进行计算，绘制照度及色温变化曲线，如图11所示。
|
图 10 区域1墙壁传感器布置示意图 Fig. 10 Schematic diagram of wall sensor layout in area Ⅰ |
|
图 11 墙壁传感器的照度、色温变化曲线 Fig. 11 Change curve of illuminance and color temperature of wall sensor |
由图10和图11可知，对工作面a1，c1，f1工作面采光面积相对较大，在中午时刻较强光线的影响下，空间照度及色温值上下波动较为明显；工作面b1，d1，e1附近采光面积较小，空间照度及色温值上下波动较为稳定。
3）区域1传感器位置总结
综上所述，面向工作面a1，c1，e1，传感器应设置在侧面墙壁窗户上方位置；面向工作面b1，d1，f1，传感器应设置在屋顶与侧墙连接处。
2.4.2 区域2、区域3检测点分析区域3与区域3位于整个空间的中段及以后，受光线影响不大，因此每个区域只需选取1组传感器即可准确反映其工作面的平均照度及色温。
1）传感器位于屋顶时
将两侧检测点设置在区域相交处、屋顶与墙壁连接处，其他检测点与区域1在横纵布置策略上一致，去掉与灯具重叠的检测点，依次标记为L1～L44，如图12所示。分别对2个区域各检测点的照度及色温进行计算，绘制照度及色温变化曲线，如图13所示。2个区域连接处从L15～L23检测点的照度及色温变化波动幅度较大，区域2中从L1～L14的照度及色温变化波动稳定；区域3中从L24～D44个检测点除了L36波动较大，其他位置均具有稳定的照度及色温曲线波动。
|
图 12 区域2、区域3屋顶传感器布置示意图 Fig. 12 Roof sensor layout diagram in area Ⅱ and area Ⅲ |
|
图 13 屋顶传感器的照度及色温变化情况 Fig. 13 Changes of illuminance and color temperature of the sensor on the roof |
2）传感器位于墙面时
纵向择取窗户上沿2.2～2.5 m的位置，每隔0.1 m放置1组传感器。区域2将每组传感器从上到下依次记为L1～L4；区域3将每组传感器依次记为L5～L8，共设置7列，如图14所示。分别对2个区域各检测点的照度及色温进行计算，绘制照度及色温变化曲线，如图15所示。
|
图 14 区域2、区域3墙壁传感器布置示意图 Fig. 14 Schematic diagram of wall sensor l ayout in area Ⅱ and area Ⅲ |
|
图 15 区域2、区域3墙壁传感器的照度及色温变化曲线 Fig. 15 Change curve of illuminance and color temperature of wall sensor in area Ⅱ and area Ⅲ |
由图14和图15可知，区域2中工作面平均照度及色温随着检测点高度的增加而波动增大，所以不建议将传感器设置在墙壁上；区域3中第3列检测点受自然光线影响最小，还能均匀接收各方向的光线，其工作面照度及色温曲线波动较为稳定。
3）2个区域传感器位置总结
综上所述，位于屋顶时，区域2可从L1～L8各检测点中任选位置设置传感器；区域3可从D8～D28个检测点中（排除L20）任选位置设置传感器。位于墙壁时，区域2可将传感器放置于2个区域屋顶连接处任意位置；区域3可将传感器放置于最内侧墙面中间2.2～2.5 m范围内的任意位置。
综上所述，在区域1设置6组传感器、区域2与区域3分别各设置1个组传感器，最终布置如图16所示。
|
图 16 餐厅空间传感器最终布置示意图 Fig. 16 Schematic diagram of final layout of restaurant space sensor |
本系统将阴天天空模型下各区域工作面照度、色温检测值以及区域1中各工作面a1～f1的照度值及色温值作为输入量，通过系统内置算法模型输出任意时刻灯具需要输出的亮度、色温调整值。预设餐厅的工作面照度标准为300 lx、色温标准为4000 k，又因太阳光线变化较快，所以允许系统调整值有10%的上下调整范围，即保证工作面照度始终保持在270～330 1x、色温始终保持在3600～4400 k。验证流程如图17所示。
|
图 17 调光功能仿真验证流程 Fig. 17 Simulation verification process of dimming function |
选择傍晚16点未开灯情况下，进行环境数据获取。将区域1～区域3工作面的照度、色温检测值输入到系统控制算法中，通过计算输出3组灯具的照度、色温调整值（PWM参数，用百分数表示），将调整值重新带入仿真场景，进行调整结果验证。输入值及输出值数据如表1所示，仿真结果如表2所示。
|
表 1 系统分区控制输入输出数据 Tab.1 System partition control input and output data |
|
|
表 2 分区仿真计算结果 Tab.2 Partition simulation results |
可知，区域1、区域2、区域3都达到了照度及色温的标准值范围要求，但能观察到当前工作面a1～f1并没有全部达到标准，因此需对该工作面灯具再次实行分点控制。
3.2 灯具分点控制仿真基于分区控制基础上，对区域1灯具①～③进行分点单独控制。输入量是工作面a1～f1检测点的平均照度值及色温值，输出量是灯具①～③的照度及色温调整值。输入值及输出值数据如表3所示，仿真结果如表4所示。
|
|
表 3 系统分点控制输入输出数据 Tab.3 The system controls input and output data by points |
|
|
表 4 分点仿真计算结果 Tab.4 Points simulation calculation results |
可以看出，经过二次分点控制调节，各工作区域的照度、色温被更准确的调节到了标准值范围内。调光功能仿真测试的结果验证了本系统的调光控制可行性。
4 结 语本文以某邮轮餐厅为研究对象，利用仿真手段建立了空间三维模型场景，通过分析其光环境，总结了出该餐厅的智能照明控制策略。针对该策略设计了一套基于ZigBee的一套智能照明控制系统方案，规划了该系统的软硬件控制流程；利用仿真场景中的计算元件模拟传感器的位置，获得了该空间传感器实际安装位置。对系统调光功能控制策略进行验证，以仿真的手段模拟系统数据采集过程，证明了该系统能实现根据当前光环境进行灯光自适应调节功能，使室内工作面始终保持恒照度及恒色温。本文研究成果为该邮轮餐厅照明系统的智能化设计提供了一种较为新颖且富有较良好参考性的实施方案，也为其他同类舱室的照明系统设计提供了一种新思路。
| [1] |
马国霞, 程伟, 周忠亮. 浅谈智能照明在船舶上的应用[J]. 广东造船, 2020, 39(5): 59-61. |
| [2] |
刘琦, 朱兆优, 蓝贤桂. 基于ZigBee的船舶智能照明系统设计[J]. 现代电子技术, 2019, 42(22): 137-139+144. |
| [3] |
蒋峰, 李行, 熊霆宇,等. 基于ZigBee技术的远程无线智能灯光控制系统的设计[J]. 现代电子技术, 2017, 40(2): 114-117. |
| [4] |
闫斌, 刘廷章, 栾新源,等. 色温和光通量独立可调的白光LED系统[J]. 照明工程学报, 2014, 25(6): 20-22. |
| [5] |
杨立宏, 袁夫全. 基于ZigBee的无线智能照明系统设计[J]. 电子测试, 2021(6): 27-28. |
| [6] |
卢进翔, 韩玉侨, 杨斌方. LED灯具在船舶上的应用[J]. 中国水运(下半月), 2016, 16(6): 135-136. |
| [7] |
李刚. 智能照明控制技术发展现状与未来展望[J]. 数字通信世界, 2019(8): 55+63. |
| [8] |
李文洁. 基于神经网络的智能家居照明控制系统的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2021.
|
| [9] |
储海龙, 张宇宁, 王坚. 基于CIE天空模型的室内自然光照度计算模型[J]. 光电子技术, 2018, 38(3): 167-171+177. |
| [10] |
雍静, 侯贺, 曾礼强, 等. 室内照明调光控制系统中墙面传感器布置方法[J]. 重庆大学学报, 2013, 36(3): 82-89. |